Un électron qui décélère rayonne-t-il ?

[jacknicklaus]

Donc je réitère ma question : pourquoi vous ne voulez parler que de photons, qu'est-ce que vous avez derrière la tête?

C'est le problème de la vulgarisation mal digérée. Combien de fois voit-on sur ce forum des gens s'obstiner à parler photons voire particules médiatrices de toutes sortes, alors qu'une approche classique par l'électromagnétisme suffit largement pour les questions posées.
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[andretou]

Je veux bien que l'électron rayonne autre chose que des photons, il suffit simplement de me dire quoi...

[Deedee81]

Je veux bien que l'électron rayonne autre chose que des photons, il suffit simplement de me dire quoi...

Je ne sais pas à qui tu réponds. Mais :
- Si c'est à moi, j'ai répondu (à deux endroits dont la fin du message 28)
- Si c'est à Yoghourt, ça ne répond pas à sa question.
- Si c'est à Jackniclaus, ce qu'il souligne c'est que pratiquement tout le sujet aurait pu se faire avec "les électrons rayonnement des ondes électromagnétiques".
(les photons c'est tout de suite plus compliqué)

[andretou]

Je ne sais pas à qui tu réponds. Mais :
- Si c'est à moi, j'ai répondu (à deux endroits dont la fin du message 28)

Non non ce n'étais pas à toi que je répondais

- Si c'est à Yoghourt, ça ne répond pas à sa question.

Tant pis, je ne comprends pas sa question

- Si c'est à Jackniclaus, ce qu'il souligne c'est que pratiquement tout le sujet aurait pu se faire avec "les électrons rayonnement des ondes électromagnétiques".
(les photons c'est tout de suite plus compliqué)

Il me semble qu'une onde électromagnétique et un photon sont deux entités indissociables. On ne peut pas parler de photon sans parler d'onde électromagnétique et réciproquement.
Dire qu'un électron rayonne une onde électromagnétique revient exactement à dire qu'un électron rayonne un photon, et réciproquement.
Si on est d'accord là-dessus je ne vois pas où est le problème.

[Deedee81]

Il me semble qu'une onde électromagnétique et un photon sont deux entités indissociables. On ne peut pas parler de photon sans parler d'onde électromagnétique et réciproquement.
Dire qu'un électron rayonne une onde électromagnétique revient exactement à dire qu'un électron rayonne un photon, et réciproquement.
Si on est d'accord là-dessus je ne vois pas où est le problème.

On n'est pas d'accord. Car en fait c'est l'inverse : il ne faut jamais parler des deux à la fois.

En effet, la physique classique (ondes électromagnétiques) et la physique quantique (photons) sont deux cadres théoriques différents (pour décrire le même phénomène).
Et ondes électromagnétiques et photons sont virtuellement incompatibles. Mélanger les deux c'est comme rédiger un texte en sautant en permanence de l'anglais au chinois. L'un est la traduction de l'autre mais un tel mélange devient vite illisible.

Même s'il est vrai que les photons sont des ondes électromagnétiques, le lien n'est pas simple (l'un est la quantification de l'autre et l'autre est la limite classique de l'un).
En outre pour la majorité des questions soulevées, l'aspect corpusculaire n'est pas du tout nécessaire et donc la physique quantique peut être évitée.

Enfin, ce n'est peut-être pas flagrant pour un profane, mais les photons c'est beaucoup plus compliqué que les ondes électromagnétiques classiques. Justement parce que les photons ce n'est pas juste de petits corpuscules. Les photons c'est comme les ondes électromagnétiques avec des tas de trucs plus compliqués en plus
(superpositions quantiques et intrication, les difficultés liées à l'invariance de jauge qui nécessitent par exemple de considérer les états longitudinaux et scalaires.... qui n'existent pas physiquement, représentations non équivalentes unitaires, divergences impliquant la normalisation). Tout ça c'est assez peu visible avec la vulgarisation. Et pour les spécialistes c'est donc assez énervant de voir le photon se ramener à tout bout de champ même quand ce n'est pas nécessaire.

Enfin, bon, il me semble que là pour l'essentiel tu as eut tes réponses et que ça devrait donc aller

EDIT pour donner une idée de la complexité effarante des photons. Je suis en train de faire une série youtube sur la physique des particules.
J'en suis à 400 vidéos...... (*) et je n'ai encore parlé que de l'électrodynamique quantique (soit en gros le photon, et les électrons oeuf corse)
Et encore il faut d'abord en principe digérer la MQ, j'ai une playlist de 384 vidéos.
Ca fait environ en tout 400 heures de vidéos. En cours universitaire de 4h semaine, ça ferait déjà plus de deux ans... ce qui est typiquement le cas d'ailleurs.

Je n'ai pas fait de playlist sur l'électromagnétisme (je compte le faire) mais si j'en fait une même non vulgarisée ça me prendra au plus une centaine de vidéos. Ca dépend jusqu'où j'irai (si je me limite à ce que j'ai vu en fac, une quarantaine de vidéos suffiraient mais j'aimerais bien aussi approfondir des sujets plus compliqué comme l'effet Cerenkov etc... Bon, je verrai bien, j'y suis pas encore)

(*) Ce soir j'attaque ENFIN les symétries internes et donc les autres interactions (d'abord le modèle octet, le modèle chiral de Fermi de l'interaction faible, etc.). Je viens juste de terminer l'approche axiomatique avec les représentations spectrales des commutateurs courant.

[andretou]

Du coup, pour que tout soit bien clair, faut-il dire qu'un électron qui accélère rayonne un photon, ou qu'il rayonne une onde électromagnétique ?

[coussin]

Je l'ai déjà mentionné dans un autre fil mais je milite pour qu'on cesse de dire que les photons, c'est difficile à comprendre. C'est pas vrai.
Sans rentrer dans des détails formels (soyons honnêtes, le formalisme de la QED est proprement incompréhensible ), un photon n'est qu'une onde d'amplitude minimale. Point.
Sachant cela, bien évidemment la fameuse "dualité onde-corpuscule" n'a pas lieu d'être... Arrêtons avec ce concept désuet
Ensuite, sachant ce qu'est un photon et en y réfléchissant un peu, toutes les "bizarreries" des expériences EPR font un peu plus de sens. Etant un quanta, un photon est une onde qui peut avoir un comportement contre-intuitif : elle ne peut pas être partiellement absorbée ou réfléchie. C'est forcément tout ou rien. Avant interaction, étant une onde, le photon peut avoir une extension spatiale importante (c'est pourquoi l'image de "la petite bille" m'échappe complètement...) mais dès qu'il a interagit quelque part, forcément il ne peut plus interagir autre part pour la simple et bonne raison que le photon a disparu Ces comportements n'apparaissent bien évidemment pas pour des ondes "classiques" contenant des milliards de milliards de quanta...

Pour en revenir au non-sujet qui nous intéresse ici : bien sûr qu'un électron qui décélère émet des photons. Le mot clé ici est des photons. il en émet tellement qu'on appelle ça une onde électromagnétique.
C'est comme dire qu'un générateur de courant émet des électrons. C'est bizarre et personne ne dirait ça mais fondamentalement, c'est pas faux

[Deedee81]

Salut,

Du coup, pour que tout soit bien clair, faut-il dire qu'un électron qui accélère rayonne un photon, ou qu'il rayonne une onde électromagnétique ?

- Si tu travailles dans le cadre de la physique classique : il rayonne une onde électromagnétique
- Si tu travailles dans le cadre de la physique quantique : il rayonne DES photons (le rayonnement de freinage donne une infinité de photons, même si l'énergie totale reste finie. C'est typiquement ce qu'on appelle une divergence infrarouge ou le problème des photons mous, problème inobservable car les instruments de mesure ont toujours une limite finie de résolution, les photons les moins énergétiques sont indétectables).
(quand je disais que c'était tout de suite plus compliqué, hein )

Je l'ai déjà mentionné dans un autre fil mais je milite pour qu'on cesse de dire que les photons, c'est difficile à comprendre. C'est pas vrai.

Je sens que tu parodies et plaisante. Mais si ce n'est pas le cas, tu peux me vulgariser simplement la structure de l'espace de Fock ?
(l'espace des ondes électromagnétiques est L2, c'est quand même "un peu" plus simple)
Non, les photons ce n'est pas si simple. Pour un non initié c'est même rajouter une sacrée couche de complexité.

C'est même beaucoup plus complexe que de simplement ajouter la (grosse) couche de la mécanique quantique. Ici on est dans les systèmes avec un nombre infini de degrés de liberté, ce qui peut donner des cheveux gris.

Un exemple tout bête. Considérons un électron avec son spin. Il peut être décrit par un espace de Hilbert une équation et tout ça. en général je vais choisir une direction définie (arbitraire) z pour définir l'état de spin. supposons maintenant que j'aie une situation où il serait pratique d'utiliser une autre direction de référence z'. Pas de problème, j'effectue une transformation unitaire. Et hop le tour est joué (la mécanique quantique étant invariante sous les transformations unitaires, c'est la même chose que de choisir des référentiels galiléens différents en mécanique classique). Puis j'ai des photons (en nombre quelconque, espace de Fock oblige) et je veux faire la même chose et PAF dans les dents, on a là deux représentations qui ne sont pas unitairement équivalentes !!!!! (il y a le même soucis avec une collection infinie d'électrons mais joie et bonheur, heu ont le bon sens de rester en nombre finis )

Et franchement moi qui connait bien la théorie j'ai du mal à comprendre la signification profonde de ça. C'est à tel point que la matrice S abondamment utilisée en théorie quantique des champs est une matrice unitaire et.... elle ne devrait pas exister (sauf cas triviaux les espaces "in" et "out" ne sont pas unitairement équivalents). Mais on fait.... comme si. Et, wow, ça marche. Et je crois que personne ne sait vraiment pourquoi !!!!! (et on est là dans le simple, comme Itzykson et Zuber le disent, quand on traite d'état lié, il n'y a pas de méthode rigoureuse, beaucoup d'intuition, de recettes de cuisine et puis, hé bien, on voit si ça marche et c'est tout). Et donc, si, si, quand je disais "peut-on vulgariser simplement l'espace de Fock", ce n'est pas une boutade, j'aimerais bien pouvoir le faire. Alors oui, donner une bête base et un produit tensoriel, c'est pas trop dur et vulgarisable, mais comme c'est un espace de Hilbert de dimension infinie et avec une structure, c'est loin de refléter toute la richesse de cet espace).

Alors oui, si on se contente de décrire l'effet photoélectrique à la Einstein, ça va. Mais si on creuse un peu (et sur Futura pour ce type de question, on creuse TOUJOURS, regarde, on est au message 38 pour une question initiale somme toute assez simple) ça devient cauchemardesque.

Donc, parler des photons ne me dérange pas. Mais si on peut les éviter, évitons les. Pourquoi compliquer quand on peut faire simple ? Non ?

Sinon pour le reste de ton message je n'ai rien à redire (à part pour le même bémol ci-dessus, une grand nombre de photons ce n'est pas juste une onde électromagnétique, sinon on pourrait jeter la théorie quantique des champs à la poubelle. On s'éviterait bien des ennuis).

[andretou]

Merci pour toutes ces explications Deedee.
Il y a cependant encore quelque chose qui m'échappe.
En mécanique classique, dans le cas d'un pendule simple et sans frottement, l'énergie potentielle est intégralement transformée en énergie cinétique, et inversement, tout au long du mouvement. Pour autant, le pendule ne rayonne pas ! Heureusement d'ailleurs, car s'il rayonnait, cela remettrait en cause le principe de conservation de l'énergie.
Or, dans le cas d'un électron placé dans un champ électrique, non seulement l'énergie potentielle se transforme (intégralement ?) en énergie cinétique, et inversement (comme dans le cas du pendule sans frottement), mais en plus l'électron rayonne !!!
Si l'énergie potentielle se transforme intégralement en énergie cinétique (et inversement), alors d'où vient donc l'énergie rayonnée ?
Et si l'énergie potentielle ne se transforme pas intégralement en énergie cinétique (et inversement) pour être rayonnée, alors pourquoi l'électron ne finit-il pas au repos, comme finirait le pendule s'il rayonnait ?

[Deedee81]

Salut,

Il y a cependant encore quelque chose qui m'échappe.
En mécanique classique, dans le cas d'un pendule simple et sans frottement, l'énergie potentielle est intégralement transformée en énergie cinétique, et inversement, tout au long du mouvement. Pour autant, le pendule ne rayonne pas ! Heureusement d'ailleurs, car s'il rayonnait, cela remettrait en cause le principe de conservation de l'énergie.
Or, dans le cas d'un électron placé dans un champ électrique, non seulement l'énergie potentielle se transforme (intégralement ?) en énergie cinétique, et inversement (comme dans le cas du pendule sans frottement), mais en plus l'électron rayonne !!!
Si l'énergie potentielle se transforme intégralement en énergie cinétique (et inversement), alors d'où vient donc l'énergie rayonnée ?
Et si l'énergie potentielle ne se transforme pas intégralement en énergie cinétique (et inversement) pour être rayonnée, alors pourquoi l'électron ne finit-il pas au repos, comme finirait le pendule s'il rayonnait ?

Non, l'énergie potentielle ne se transforme pas toujours intégralement en énergie cinétique, elle peut se transformer en autre chose.
Cette transformation complète et vice versa ce n'est vrai que pour l'oscillateur (ou pendule) harmonique.

Exemples :
- Si la masse du pendule est chargée électriquement, en oscillant, il va rayonner. Et cela va ralentir progressivement le pendule qui va s'arrêter. L'énergie potentielle a été transformée en énergie de rayonnement.
- Un boule tombe et s'écrase sur le sol. Une fois au sol, elle est immobile : l'énergie potentielle de gravitation a été transformée en énergie cinétique (chute) puis en énergie de liaisons (brisées, molécules cassées etc.) et chaleur.
D'ailleurs c'est vrai aussi d'un pendule réel : il y a toujours des frottements.

Dans le cas général, l'énergie peut se transformer en toutes sortes de formes de manières plus ou moins compliquées. Avec les équations d'évolution appropriées. Tout dépend des situations.

[Yoghourt]

Pour compléter sans entrer dans les détails, une énergie potentielle est construite sur un potentiel -scalaire- ou un potentiel-vecteur. Et un potentiel, c'est quoi? C'est une sorte d'intégration d'un champ -vectoriel- par rapport à une référence "bien choisie". Champ vectoriel, rayons, vous voyez?

[Deedee81]

Pour compléter sans entrer dans les détails, une énergie potentielle est construite sur un potentiel -scalaire- ou un potentiel-vecteur. Et un potentiel, c'est quoi? C'est une sorte d'intégration d'un champ -vectoriel- par rapport à une référence "bien choisie". Champ vectoriel, rayons, vous voyez?

Holà, t'es sûr que c'est pas un peu compliqué pour Andretou là ?

[Deedee81]

Dans le cas général

Tiens, un cas sympa avec beaucoup d'étapes : une masse de gaz s'effondre pour former une étoile. Les étapes de l'énergie sont :

Energie potentielle de gravitation => énergie potentielle de pression et énergie thermique => énergie thermonucléaire => énergie rayonnée (gamma) => énergie thermique (en surface) => énergie rayonnée (visible et UV surtout)

Il y a équilibre entre l'énergie de pression et gravitationnelle d'une part et l'énergie thermique interne et rayonnée d'autre part.
Quand le combustible est épuisé. L'équilibre est rompu et ça devient une naine blanche ou ça fait boum (supernovae)
Dans une naine blanche la pression hydrostatique + pression de Fermi équilibre entièrement la gravitation.

[Yoghourt]

Je la refais par l'exemple du pendule sans frottement, alors. On est en pure mécanique classique.
Quand le pendule tombe, il perd de l'énergie potentielle de pesanteur qui se transforme en énergie cinétique. Ok.

Et elle "vient" d'où cette énergie potentielle de pesanteur? C'est la gravitation terreste à la surface de la Terre. On parle souvent d'une force car c'est virtuellement uniforme à échelle humaine, mais globalement, c'est un champ de force. Le plus immédiat pour s'en convaincre, c'est la variation de la direction du champ : vers le centre de la Terre donc pas la même direction "dans l'absolu" entre la gravité à Grenoble, au pôle nord, à Tahiti, au pôle sud...
Si on trace la direction approximative du champ de gravitation de la Terre depuis son centre, c'est à dire les lignes de champ, ça fait grosso-modo des lignes droites, et donc c'est tout a fait justifié de dire que la Terre rayonne son champ de gravitation depuis son centre.
Et voilà, on est passé d'énergie potentielle (de pesanteur) à potentiel scalaire (la pesanteur) à champ vectoriel/rayonnement (gravité) et rayons (lignes de champ de gravité). Evidement, pour un champ dons les lignes sont très courbées voire font carrément des boucles (champ magnétique, mécaflotte, ...), c'est pas très approprié de parler de rayon car contre-intuitif.
Chuss,
Y.

[Deedee81]

Impec

[andretou]

Non, l'énergie potentielle ne se transforme pas toujours intégralement en énergie cinétique, elle peut se transformer en autre chose.
Cette transformation complète et vice versa ce n'est vrai que pour l'oscillateur (ou pendule) harmonique.

Ok ! Cette transformation complète de l'énergie potentielle en énergie cinétique n'est-elle vraie en fait que pour certains types d'énergies potentielles, telles que l'énergie potentielle de gravitation, élastique ou de pression ?
En particulier, dans le cas des marées, la variation de l'énergie potentielle de gravitation n'est-elle pas complètement convertie en variation des énergies cinétiques de rotation ?
La transformation incomplète se produirait quant à elle pour toutes les autres énergies potentielles (c'est-à-dire électrostatique et magnétique) ?

[Deedee81]

Ok ! Cette transformation complète de l'énergie potentielle en énergie cinétique n'est-elle vraie en fait que pour certains types d'énergies potentielles, telles que l'énergie potentielle de gravitation, élastique ou de pression ?

Non, non, ce n'est vrai que pour certaines situations, ce n'est pas la nature de l'énergie qui est en cause.

(le seul cas à part est l'énergie thermique à cause du second principe et de l'entropie).

En particulier, dans le cas des marées, la variation de l'énergie potentielle de gravitation n'est-elle pas complètement convertie en variation des énergies cinétiques de rotation ?

Non, pas entièrement. La Terre se déforme et une partie de l'énergie est dissipée sous forme d'énergie thermique à cause de la viscosité du manteau terrestre.

[andretou]

Ok, c'est bien noté, encore merci !
Il me reste une dernière question, désolé...

On sait donc qu'une charge qui accélère rayonne.
Imaginons un observateur minuscule qui se déplace exactement de la même manière que l'électron qui est accéléré.
Pour cet observateur, l'électron est donc immobile.
Du coup, est-ce que l'électron rayonne quand même pour cet observateur ?

[Deedee81]

Salut,

Du coup, est-ce que l'électron rayonne quand même pour cet observateur ?

Oui. Il se fait que la configuration "onde électromagnétique" est invariante. L'énergie peut changer ainsi que la longueur d'onde mais pas le fait que c'est une onde électromagnétique. Lorsque qu'on change d'observateur, la transformation (de Lorentz) peut tout mélanger dans les champs électriques et magnétiques (par exemple, une charge électrique statique a aussi un champ magnétique pour un observateur en mouvement). Mais il se fait que si on a un champ électrique et un champ magnétique perpendiculaires (entre-eux et à la direction de propagation, et dans un rapport de grandeur bien précis) alors ça reste vrai pour tout observateur.

Ce qui va changer est donc l'énergie et la longueur d'onde, c'est tout bêtement l'effet Doppler. Mais pour avoir disparition il faudrait atteindre la vitesse de la lumière.

Donc la charge rayonne pour tous.

Cela donne un caractère "absolu" aux accélérations (contrairement aux vitesses qui sont relatives). Chose qu'avait déjà observé Langevin dans son fameux article fondateur où il expliquait (en français ) la relativité restreinte d'Einstein (c'est de ce fameux article qu'est né le fameux paradoxe des jumeaux de Langevin, alors que lui n'a pas parlé de jumeaux ni de paradoxe d'ailleurs. Il y comparait les trajectoires de deux observateurs qui se séparent et se retrouvent et expliquait que le temps propre écoulé était toujours plus faible dans le cas des accélérations et montrait le caractère absolu des accélérations justement en utilisant ce dont on discute ici).

[Sethy]

Est-ce qu'il y a une transposition "évidente" de cette différence nette entre vitesse et accélération dans les équations ?

Je veux dire, existe-t-il quelque chose d'aussi parlant que l'absence de monopole magnétique qui se traduit par un terme source nul dans l'une des équations de Maxwell alors qu'il existe un terme source qui peut-être non nul dans celle qui lie source et champ électrique ?

[mach3]

C'est au niveau de la 4-accélération que ça ce joue. C'est un 4-vecteur (donc invariant), qui est la dérivée de la 4-vitesse (invariant et constant en norme). Le premier témoigne des changements d'orientation du second, et ceci de façon indépendante du référentiel : si la norme d'une 4-accélération, l'accélération propre, est nulle, elle est nulle pour tout observateur.

Dans un référentiel inertiel, un objet d'accélération nulle a une accélération propre nulle. C'est une façon de définir un tel référentiel. En relativité restreinte, un électron rayonne si son accélération propre est non nulle, donc si son accélération relativement à un référentiel inertiel est non nulle. En relativité générale, c'est plus compliqué...

m@ch3

[andretou]

Mais au fait, puisque les électrons accélérés rayonnent, et puisque dans un courant alternatif comme dans un courant continu les électrons sont continuellement accélérés, alors les électrons rayonnent même dans les matériaux supraconducteurs ?
Et si les électrons rayonnent dans les matériaux supraconducteurs, alors de la chaleur est malgré tout produite, et il y a donc nécessairement des pertes d'énergie ?

[Deedee81]

Salut,

Mais au fait, puisque les électrons accélérés rayonnent, et puisque dans un courant alternatif comme dans un courant continu les électrons sont continuellement accélérés, alors les électrons rayonnent même dans les matériaux supraconducteurs ?
Et si les électrons rayonnent dans les matériaux supraconducteurs, alors de la chaleur est malgré tout produite, et il y a donc nécessairement des pertes d'énergie ?

On fabrique des électroaimants ou des émetteurs radiofréquence en supraconducteur. Mais si le courant est constant, les électrons ont un mouvement extraordinairement régulier (ils s'associent en paires de Cooper et forment un état cohérent, un peu comme le laser) et n'émettent aucun rayonnement (et c'est le secret de l'absence de résistance des supra).